Introduction à la Bioinformatique Les bases de données biomoléculaires Jacques van Helden Jacques.van-Helden@univ-amu.fr Aix-Marseille Université (AMU), France Lab. Technological Advances for Genomics and Clinics (TAGC, INSERM Unit U1090) http://jacques.van-helden.perso.luminy.univ-amu.fr/
Introduction Les bases de données jouent un rôle crucial dans l organisation des connaissances biologiques. Nous proposons ici un tour rapide des principales bases de données consultées pour élaborer ce cours, et utilisées durant les travaux pratiques. 2
Bases de données biomoléculaires Un tour d horizon de quelques bases de données biomoléculaires
Exemples de bases de données biomoléculaires Séquence et structure des macromolécules Séquences protéiques (UniProt) Séquences nucléotidiques (EMBL / ENA, Genbank, DDBJ) Structures tridimensionnelles des protéines (PDB) Motifs structurels (CATH) Motifs dans les séquences (PROSITE, PRODOM) Génomes Bases de données génériques (Ensembl, UCSC, Integr8, NCBI genome, ) Bases de données spécifiques d un organisme (SGD, FlyBase, AceDB, PlasmoDB, ) Fonctions moléculaires Fonctions enzymatiques, catalyses (Expasy, LIGAND/KEGG, BRENDA) Régulation transcriptionnelle (JASPAR, TRANSFAC, RegulonDB, ) Processus biologiques Voies métaboliques (MetaCyc, KEGG pathways, Biocatalysis/biodegradation) Interactions protéine-protéine (DIP, BIND, MINT) Transduction de signal (Transpath) 4
Bases de données de bases de données Il existe des centaines de bases de données spécialisées pour la biologie moléculaire et la biochimie. Ce nombre augmente chaque année. Pour s y retrouver, la revue Nucleic Acids Research consacre chaque année son numéro de janvier à une revue des bases de données existantes, et maintient un catalogue des bases de données: http://www.oxfordjournals.org/nar/database/c/ Plusieurs centaines de bases de données sont disponibles. Fernandez-Suarez and Galperin, 2013, NAR D1-D7 5
Bases de données biomoléculaires Bases de données d acides nucléiques: GenBank, EMBL, and DDBJ
Banques de séquences généralistes Atlas of Protein Sequences (Margaret Dayhoff) Compilation des séquences à partir de 1965 En 1965, contient 50 entrées 1978 : Dernière impression (ensuite, la base de données sera disponibles sous forme électronique)
Banques généralistes de séquences nucléotidiques EMBL (European Molecular Biology Laboratory) : Création 1980 par l European Molecular Biology Organisation Diffusée par European Bioinformatics Institute (EBI) Genbank Création 1982 par IntelliGenetics Diffusée par National Center for Biotechnology Information (NCBI) DDBJ (DNA Databank of Japan) Création 1986 par National Institute of Genetics (NIG) Diffusée par National Institute of Genetics (NIG) Ces trois banques échangent systématiquement leur contenu depuis 1987 et ont adopté un système de conventions communes «The DDBJ/EMBL/Genbank Feature Table Definition»
Croissance (EMBL, GenBank) EMBL Genbank 300 Gb (décembre 2010) 286 Gb (août 2010) http://www.ebi.ac.uk/embl/services/dbstats/ http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/genbankstats.html
Genbank statistics -2015 La taille des données entreposées augmente de façon exponentielle. Depuis le début des années 2000, les projets de séquençage génomique constitue une proportion croissante des séquences déposées dans les bases de données. http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/statistics 10
Organismes les plus représentés EMBL (décembre 2010) http://www.ebi.ac.uk/embl/services/dbstats/
Bases de données de séquences nucléiques Avant de publier un article qui décrit une séquence biologique, il est obligatoire de déposer cette séquence dans l une des 3 principales bases de données de séquences: Genbank (Etats-Unis), EMBL (Europe) ou DDBJ (Japon). Les séquences sont automatiquement synchronisées entre les trois bases de données. Okubo et al. (2006) NAR 34: D6-D9 12
L augmentation exponentielle du nombre de séquences Séquences nucléiques Genbank (April 2011) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/ 135,440,924 séquences totalisant 126,551,501,141 bases dans la division «traditionnelle». 62,715,288 séquences totalisant 191,401,393,188 bases dans la section «Génomes». Génomes entiers Genomes Online Database (22/01/2013) contient 20531 génomes. http://www.genomesonline.org/ Séquences protéiques Essentiellement toutes proviennent de la traduction (informatique) de séquences nucléiques. UniProtKB/TrEMBL (24/01/2013): 29,266,939 millions de protéines. http://www.ebi.ac.uk/uniprot/tremblstats/ 13
Taille des bases de données nucléiques EMBL Nucleotide Sequence Database: Release Notes - Release 113 September 2012 http://www.ebi.ac.uk/embl/documentation/release_notes/current/relnotes.html Class entries nucleotides ------------------------------------------------------------------ CON:Constructed 7,236,371 359,112,791,043 EST:Expressed Sequence Tag 73,715,376 40,997,082,803 GSS:Genome Sequence Scan 34,528,104 21,985,922,905 HTC:High Throughput CDNA sequencing 491,770 594,229,662 HTG:High Throughput Genome sequencing 152,599 25,159,746,658 PAT:Patents 24,364,832 12,117,896,594 STD:Standard 13,920,617 37,665,112,606 STS:Sequence Tagged Site 1,322,570 636,037,867 TSA:Transcriptome Shotgun Assembly 8,085,693 5,663,938,279 WGS:Whole Genome Shotgun 88,288,431 305,661,696,545 ----------- --------------- Total 252,106,363 450,481,663,919 Division entries nucleotides ------------------------------------------------------------------ ENV:Environmental Samples 30,908,230 14,420,391,278 FUN:Fungi 6,522,586 11,614,472,226 HUM:Human 32,094,500 38,072,362,804 INV:Invertebrates 31,907,138 52,527,673,643 MAM:Other Mammals 40,012,731 145,678,620,711 MUS:Mus musculus 11,745,671 19,701,637,499 PHG:Bacteriophage 8,511 85,549,111 PLN:Plants 52,428,994 55,570,452,118 PRO:Prokaryotes 2,808,489 28,807,572,238 ROD:Rodents 6,554,012 33,326,106,733 SYN:Synthetic 4,045,013 782,174,055 TGN:Transgenic 285,307 849,743,891 UNC:Unclassified 8,617,225 4,957,442,673 VRL:Viruses 1,358,528 1,518,575,082 VRT:Other Vertebrates 22,809,428 42,568,889,857 ----------- --------------- Total 252,106,363 450,481,663,919 14
(Approximately 2000) (Approximately 2010) (Approximately 2020) Figure 1. Contribution of different factors to the overall cost of a sequencing project across time. Left, the four-step process: (i) experimental design and sample collection, (ii) sequencing, (iii) data reduction and management, and (iv) downstream analysis. Right, the changes over time of relative impact of these four components of a sequencing experiment. BAM, Binary Sequence Alignment/Map; BED, Browser Extensible Data; CRAM, compression algorithm; MRF, Mapped Read Format; NGS, next-generation sequencing; TAR, transcriptionally active region; VCF, Variant Call A l ère du Next Generation Format. Sequencing» (NGS) Le coût du séquençage décroît de façon exponentielle, et le nombre de séquences augmente de façon expontentielle. Jusqu en 2007, cet efet était compensé par la décroissance exponentielle du coût des ordinateurs (stockage des données, calculs). En 2007, plusieurs compagnies ont inventé des nouvelles techniques de séquençage qui ont drastiquement réduit les coûts, et accéléré la production de séquences. Le coût du séquençage décroit de façon beaucoup plus rapide que celui du stockage, ce qui commence à créer de vrais problème de gestion des données. $10,000.00 $1,000.00 $100.00 $10.00 $1.00 $0.10 Cost per Mb of DNA Sequence Note: l ordonnée est logarithmique Moore's law 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 Figure 2. Cost of 1 MB of DNA sequencing. Decreasing cost of sequencing in the past 10 years compared with the expectation if it had followed Moore s law. Adapted from [11]. Cost was calculated in January of each year. MB, megabyte. Sboner et al. (2011) The real cost of sequencing: higher than you think!. Genome Biol 12: 125 Figure repdroduite d après Sboner et al. The real cost of sequencing: higher than you think!. Genome Biol (2011) vol. 12 (8) pp. 125 15
Genbank (NCBI - USA) http://www.ncbi.nlm.nih.gov/genbank/ 16
The EMBL Nucleotide Sequence Database (EBI - UK) http://www.ebi.ac.uk/embl/ 17
DDBJ - DNA Data Bank of Japan http://www.ddbj.nig.ac.jp/ 18
Bases de données biomoléculaires Bases de données de séquences protéiques
Banques généralistes de séquences protéiques PIR (Protein Information Ressource) Première banque des protéines (1965) Banque américaine (NBRF- National Biomedical Research Fondation) Protéines regroupés en familles Sur base de similarité de séquences, on peut identifier des familles de protéines, et extraire ainsi les données une connaissance plus spécifique que la somme des informations contenues dans les séquences individuelles.
Banques généralistes de séquences protéiques SwissProt Projet démarré par Aimos Bairoch en 1986, à l université de Genève Chaque séquence est expertisée par un «annotateur» (ou «curateur»), expert dans un domaine particulier de la biologie. Réellement non-redondante: quand plusieurs séquences sont identiques, une séquence est choisie comme «représentative». Les séquences proches sont recensées en tant que variants
Banques généralistes de séquences protéiques TrEMBL : traduction automatique de EMBL Genpept traduction automatique de GenBank Etant donné l augmentation exponentielle des séquences nucléiques disponibles, ces bases de données de protéines traduites augmentent aussi de façon exponentielle. En Novembre 2914, TrEMBL contient >86 millions de séquences Swissprot (annotations) n en contient que 546.790. Il devient impossible de réviser une par une ces séquences. Elles sont donc annotées automatiquement: Identification des domaines sur base de similarités de séquences. Annotation de la fonction de la protéine sur base de similarité de séquence. Ces annotations sont bien entendu sujettes à caution : l annotation automatique présente des risques d erreurs échec d identification d un domaine ou d une fonction, assignation erronée d un domaine ou d une fonction.
Uniprot Swiss-Prot + PIR + TrEMBL-EBI UniProt (Universal Protein Ressource) http://www.uniprot.org/
UniProt - the Universal Protein Resource http://www.uniprot.org/ Contenu (Novembre 2014) UniProtKB (Swissprot + TrEMBL) 86.536.393 protéines Traduction et annotation automatique de toutes les séquences codantes d EMBL Section Swiss-Prot d UniProtKB («reviewed»): 546.790 protéines annotation par des experts Contenu informationnel important. Nombreuses références à la littérature scientifique. Bonne fiabilité des informations. La majorité des annotations de séquences protéiques sont donc faites automatiquement, sans être vérifiées par un être humain!!! Swissprot La base de données de protéines la plus complète au monde. Une énorme équipe: >100 annotateurs + développeurs d outils. Annotation par experts, spécialistes des différents types de protéines. References Bairoch et al. The SWISS-PROT protein sequence data bank. Nucleic Acids Res (1991) vol. 19 Suppl pp. 2247-9 The UniProt Consortium. The Universal Protein Resource (UniProt) 2009. Nucleic Acids Res (2008). Database Issue. Taxonomic distribution of the sequences Number of entries (polypeptides) in Swiss-Prot http://www.expasy.org/sprot/relnotes/relstat.html Within Eukaryotes 24
UniProt example - Human Pax-6 protein Header : name and synonyms Jacques van Helden Jacques.van- Helden@univ-amu.fr 25
UniProt example - Human Pax-6 protein Human-based annotation by specialists Jacques van Helden Jacques.van- Helden@univ-amu.fr 26
UniProt example - Human Pax-6 protein Structured annotation : keywords and Gene Ontology terms Jacques van Helden Jacques.van- Helden@univ-amu.fr 27
UniProt example - Human Pax-6 protein Protein interactions; Alternative products 28
UniProt example - Human Pax-6 protein Detailed description of regions, variations, and secondary structure Jacques van Helden Jacques.van- Helden@univ-amu.fr 29
UniProt example - Human Pax-6 protein Peptidic sequence 30
UniProt example - Human Pax-6 protein References to original publications Jacques van Helden Jacques.van- Helden@univ-amu.fr 31
UniProt example - Human Pax-6 protein Cross-references to many databases (fragment shown) 32
Bases de données biomoléculaires Structure tridimensionnelle des protéines
PDB - The Protein Data Bank http://www.rcsb.org/pdb/ 34
Bases de données biomoléculaires Outils d exploration des génomes («genome browsers»)
EnsEMBL Genome Browser (Sanger Institute + EBI) http://www.ensembl.org/ 36
UCSC Genome Browser (University California Santa Cruz - USA) http://genome.ucsc.edu/ Human gene Pax6 aligned with Vertebrate genomes 37
UCSC Genome Browser (University California Santa Cruz - USA) http://genome.ucsc.edu/ Drosophila gene eyeless (homolog to Pax6) aligned with Insect genomes 38
UCSC Genome Browser (University California Santa Cruz - USA) http://genome.ucsc.edu/ Drosophila 120kb chromosomal region covering the Achaete-Scute Complex 39
ECR Browser http://ecrbrowser.dcode.org/ 40
EnsEMBL - Example: Drosophila gene Pax6 http://www.ensembl.org/ 41
Bases de données biomoléculaires Génomique comparative
Integr8 - access to complete genomes and proteomes http://www.ebi.ac.uk/integr8/ 43
Integr8 - genome summaries http://www.ebi.ac.uk/integr8/ 44
Integr8 - clusters of orthologous genes (COGs) http://www.ebi.ac.uk/integr8/ 45
Integr8 - clusters of paralogous genes http://www.ebi.ac.uk/integr8/ 46
Bases de données biomoléculaires Domaines protéiques
Prosite - protein domains, families and functional sites http://www.expasy.ch/prosite/ 48
Prosite séquences alignées et logos http://www.expasy.ch/prosite/ La figure ci-dessous représente un profil de domaine conservé (graphique dit «logo»). Il indique la conservation des acides aminés à chaque position sein d un domaine protéique. Le logo est obtenu à partir de l alignement d une série de séquences protéiques. Illustration Profil Prosite pour le domaine de liaison à l ADN Zn(2)-C6, caractéristique des Fungi (ZN2_CY6_FUNGAL_2, PS50048). A noter Les 6 cystéines très conservées, caractéristiques de ce domaine. La présence d un espace de taille variable entre les deux moitiés du domaine. 49
Prosite Exemple de matrice de profil http://www.expasy.ch/prosite/ 50
Prosite Exemple de logo http://www.expasy.ch/prosite/ 51
Prosite - Example of domain signature http://www.expasy.ch/prosite/ The domain signature is a string-based pattern representing the residues that are characteristic of a domain. 52
PFAM (Sanger Institute - UK) http://pfam.sanger.ac.uk/ Protein families represented by multiple sequence alignments and hidden Markov models (HMMs) 53
CATH Classification de structures protéiques http://www.cathdb.info/ CATH est une classification hiérarchique des domaines observés dans les structures tri-dimensionnelles de protéines. Les domaines sont classés selon 4 niveaux hiérarchiques Classe (C), Architecture (A), Topologie (T) Homologie (H). Les limites des classes et les assignations des protéines aux classes reposent sur un processus semi-automatique (algorithme + révision humaine). Les critères d élaboration des classes combinent des méthodes informatiques, statistiques, une revue de la littérature et une analyse par des experts. Orengo et al. The CATH Database provides insights into protein structure/function relationships. Nucleic Acids Res (1999) vol. 27 (1) pp. 275-9 Cuff et al. The CATH classification revisited--architectures reviewed and new ways to characterize structural divergence in superfamilies. Nucleic Acids Res (2008) pp. 54
InterPro (EBI - UK) http://www.ebi.ac.uk/interpro/ Une base de données de familles protéiques, domaines, répétitions et sites au sein desquels on peut identifier des caractéristiques qui peuvent ensuite être appliquées pour analyser de nouvelles séquences protéiques. 55
InterPro (EBI - UK) Antennapedia-like Homeobox (entry IPR001827) 56
Bases de données biomoléculaires La base de données Gene ontology (GO)
Ontologie définition générale Ontologie: partie de la métaphysique qui s'intéresse à l'être en tant qu'être, indépendamment de ses déterminations particulières Le Petit Robert - dictionnaire alphabétique et analogique de la langue française. 1993 58
Les"bio-ontologies" Les bio-ontologies ne constituent pas une «ontologie» au sens philosophique du terme, elles se rapportent à un sens dérivé en informatique: classification des concepts liés à un champ disciplinaire. Les bio-ontologies visent à répondre au problème d inconsistance entre annotations. Pour y répondre, on met en place Un vocabulaire contrôlé On utilise toujours le même mot pour désigner le même concept. Les listes de synonymes permettent d établir les correspondances. Classification hiérarchique entre les termes de ce vocabulaire contrôlé. La «Gene ontology» établit une classification des gènes et protéines selon trois critères complémentaires: Fonction moléculaire (ex: aspartokinase, transporteur de glucose, ). Processus biologique (ex: biosynthèse de la méthionine, réplication, ). Composante cellulaire (ex: membrane mitochondriale, noyau, ). 59
Gene ontology: exemples de processus biologiques 60
Gene ontology: exemples de fonctions moléculaires 61
Gene ontology: exemples de composantes cellulaires 62
Gene Ontology Database http://www.geneontology.org/ 63
Gene Ontology Database (http://www.geneontology.org/) Example: methionine biosynthetic process 64
Statut des annotations de GO (NAR DB issue 2006) Nombre de termes définis Biological process 9,805 Molecular function 7,076 Cellular component 1,574 Sequence Ontology 963 Génomes annotés 30 Ceci ne prend pas en compte les annotations d Uniprot, qui comptaient à l époque protéomes. Le nombre de génomes annotés augmente de façon exponentielle avec le temps.il existe aujourd hui (2013) des milliers de génomes annotés. Annotations de produits de gènes Total 1,618,739 Automatique (informatique) 1,460,632 Curation manuelle (révision par des humains) 158,107 65
QuickGO (http://www.ebi.ac.uk/quickgo/) Site Web http://www.ebi.ac.uk/quickgo/ Une interface convivale pour la Gene Ontology. Affichage graphique de la hiérarchie entre les termes. Navigation aisée entre les classes. 66
Remarques concernant la «bio-ontologie» Améliorations par rapport aux annotations en texte libre Vocabulaire contrôlé (termes définis + synonymes) Relations hiérarchiques entre les concepts Aucun rapport avec le concept philosophique d ontologie. Une «bio-ontologie» n est rien de plus qu une classification des termes d un vocabulaire contrôlé. Simplification de la réalité Il existe des critères multiples de classification. Par exemple: Sous-types de compartiments (une membrane plasmique est une membrane) Localisation des compartiment: le noyau se situe à l intérieur de l enveloppe nucléaire, qui se situe dans le cytoplasme, qui est à l intérieur de la membrane plasmique, ) Représentation très incomplète Les ontologies consistent à annoter les objets individuels, mais n indiquent pas les relations entre eux. Ex: Relation facteur transcriptionnel -> gène cible Interactions protéiques Interconnexions entre réactions d une voie métabolique 67
Comment définir la fonction biologique? A general definition Fonction: action, rôle caractéristique d un élément, d un organe, dans un ensemble (souvent opposé à structure). Source: Le Petit Robert - dictionnaire alphabetique et analogique de la langue francaise. 1982. Représentation de la fonction dans la «gene ontology» Dans la «gene ontology», on a une vision très fragmentaire de la fonction, car la structure même des données sépare les éléments complémentaires. Pour comprendre la fonction, il faut établir le lien entre l action (activité moléculaire) et le contexte au sein duquel cette action prend place (processus biologique). Ceci est nécessaire pour pouvoir traiter la multifonctionnalité: Une même activité peut jouer différents rôles dans différents processus Ex: le gène scure de la drosophile code pour un facteur transcriptionnel (activité) qui, selon le stade de développement et la localisation tissulaire, est impliqué dans différents processus: détermination du sexe, des précurseurs neuraux, ou des précurseurs de tubules de Malpighi. Une même protéine peut jouer différents rôles dans le même processus. Ex: aspatokinase PutA chez Escherichia coli, contient 2 domaines enzymatiques + un domaine de liaison à l ADN -> 3 activités moléculaires impliquées à différents niveaux du même processus (utilisation de la proline). 68
Bases de données biomoléculaires Petites molécules, réactions biochimiques et voies métaboliques
LIGAND réactions métaboliques et petites molécules 70
KEGG - Kyoto Encycplopaedia of Genes and Genomes La carte globale donne une vue d ensemble de la complexité du métabolisme. Chaque point représente une molécule, chaque ligne une réaction métabolique. KEGG global pathway map: http://www.genome.jp/kegg-bin/show_pathway?map01100 71
KEGG - Kyoto Encycplopaedia of Genes and Genomes Les cartes métaboliques de KEGG présentent le détail des réactions d une voie métabolique, en montrant les voies alternatives présentes chez différents organismes. 72
Ecocyc, BioCyc and Metacyc Voies métaboliques 73
Bases de données biomoléculaires Réseaux d interactions protéiques et voies de transduction de signal
Bases de données biomoléculaires Bases de données de biopuces
Bases de données biomoléculaires Ressources pour l analyse du génome humain
HapMap http://www.hapmap.org/ HapMap est un projet international pour identifier et cataloguer les similarités et différences génétiques entre humains. Cette base de données permet d étudier les associations entre variations génétiques (SNPs, microsatellites) et maladies. réponse aux médicaments. Applications Identification de gènes associés à des maladies. Médecine personnalisée: adaptation des traitements médicaux aux particularités individuelles des patients. 77